沸石已成为氢能源发展关键技术组成

导读：氢能技术能够被广泛利用的关键，在于如何实现更高效、安全的储存，目前，沸石作为优秀的储氢介质，引起了众多国内外学者的高度关注。

当前，面对世界能源短缺及日益严峻的环境问题，开发利用清洁、高效、可持续使用的能源，已成为人类面临的首要问题。氢气作为一种清洁、安全、高效、可再生的能源，是人类摆脱对“三大能源”依赖的最经济、最有效的替代能源之一，其具有环境友好、资源丰富、热值高、燃烧性能好、潜在经济效益高等特点。当前，氢能源技术逐渐走向成熟，迎来快速发展的机遇期，目前除了已广泛应用于新能源汽车、航空航天领域外，还可较大范围应用在无人机、直升机、高铁、航运船舶等领域中。其中，氢能技术能够被广泛利用的关键，在于如何实现更高效、安全的储存，目前，沸石作为优秀的储氢介质，引起了众多国内外学者的高度关注。

21世纪最具有发展潜力的能源：氢

近年来，氢能逐渐走向大众视野，被各国均认为是具有发展潜力的新兴产业，由于氢能储量丰富、可再生，对环境无影响且生产能力大、质量轻、能量密度低，可以降低对石油资源的依赖，逐渐替代石化燃料，实现在热能和电能之间灵活转化，因此在诸多潜在能源中被认为是最佳选择之一。即便与当前主流新能源——电能相比，氢能依旧能够凸显出自身明显优势：

首先，氢能源相对于电能来说，具有更好的环保性质，当前我国电能主要来源依旧为火力发电，其会造成一定的环境污染，而氢能作为自然界的产物，具有无污染、可再生、可储存等优势，燃烧产物就是水，真正实现了零碳排放，因此被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。

其次，氢气作为一种化学燃料，其能量自然流失微乎其微，不会像电池充满电一样逐渐流失，因此可以作为优秀的能量运输介质。

第三，氢气在燃烧时发热量高，能量转化效率非常高，甚至可以有90%的能量都被转化成动能，而电能能量转化率通常在30-40%。

在当前氢能源应用最为广泛的氢能源汽车领域中，由于氢汽车中将氢作为车载燃料，反应后只生成水，既能缓解环境污染，又可消除石油危机，并且其电池不需要燃料的燃烧过程，而是通过电化学反应直接将燃料的化学能转化成电能，因此其能量转化效率可高达45%~60%，约是内燃机的两倍。另外，氢燃料电池汽车不会排放 SOx、NOx等有害气体，也不会产生二氧化碳等温室气体，因而不会对环境造成污染影响；再者，氢燃料电池汽车不会有纯电动车充电时间长、续航里程短等弊病，其诞生和发展对于汽车领域来说具有里程碑意义。

储氢

氢能源技术面临的主要问题

储氢技术作为氢气从生产到利用过程中的桥梁，是指将氢气以稳定形式的能量储存起来，以方便后续使用的技术。氢气的质量能量密度约为120 MJ/kg，是汽油、柴油、天然气的2.7倍，然而，在288.15 K、0.101 MPa条件下，单位体积氢气的能量密度仅为12.1 MJ。能源领域内常以氢气的质量密度，即释放出的氢气质量与总质量之比，来衡量储氢技术的优劣，因此储氢技术的关键点在于如何提高氢气的能量密度。美国能源局DOE要求2025年国内车载氢能电池的氢气质量密度须达到5.5%，最终目标为6.5%。同时，氢气是一种易燃、易爆气体，当氢气浓度为4.1%~74.2%时，遇火即爆。因此，评价储氢技术优劣时，还须考虑其安全性，以及整体经济性、能耗以与使用周期等因素。

传统的氢气存储方式主要分为气态和液态两种。气态储存方式较为简单、方便, 也是目前储存压力低于17MPa氢气的常用方法，但体积密度较小是该方法严重的技术缺陷，并且气态氢在运输和使用过程中也存在易爆炸的极大安全隐患。液态储氢方法的体积密度(70 kg/m3)高 ,但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程消耗的能量约占所储存氢能的25%-45%。而且液态氢使用条件苛刻，对储罐绝热性能要求高，目前只限于在航天技术领域应用。

对此，利用储氢材料与氢气反应生成固溶体和氢化物的固体储氢方式，能有效克服气、液两种储存方式的缺陷，并且储氢体积密度大、安全度高 、运输便利。根据技术发展趋势,今后储氢研究的重点是在新型高性能储氢材料上，目前研究最广泛和深入的主要是多孔吸附储氢材料。

沸石

有望突破新一代储氢技术壁垒

目前，作为最具有竞争力的储氢方法，多孔吸附材料的储氢原理是通过吸附增大气体密度以降低储气压力，其中，沸石被国内外研究学者认为是一种优秀且具有巨大潜力的多微孔储氢材料，其可以选择性地吸附大小及形状不同的分子，并且具有较大的内外比表面积，而这些特性是沸石在吸附、气体存储等领域得以广泛应用的关键所在。

中国科学院的杜晓明等人研究了沸石对氢的超临界吸附特性， 发现沸石在低温性能下储氢性能良好，其在77 K、5MPa时，沸石的储氢质量分数为1.97%，其认为沸石具有的多孔结构决定了其具有巨大的储氢量，作为一种新型的吸附储氢材料，低温下储氢性能优异。

国外研究学者Nijikamp等人对沸石储氢试验研究中表明，在77 K 、1 ×105 Pa 条件下其储量达可达0.7%；增加储氢压力至70-90 MPa，沸石的每个α笼可吸附2-2.5 个氢分子，氢吸附量至少达2%，与原有研究中的理论计算结果基本相符。

（氢在沸石上(ａ) 77Ｋ 和(ｂ) 195Ｋ、 293Ｋ 的吸附等温线）

除此之外，当前沸石储氢技术领域内，还将一部分研究重点放在沸石包覆储氢方面。美国学者Sesny首次研究了沸石包覆气体的特性，即在一定的高温、高压条件下，沸石的微孔可以存储大于其孔径的气体分子，在25℃下能稳定地存在于沸石中。所包覆气体的平均饱和密度是沸点时液体密度的50%，大约相当于其临界密度。究其原因，是由于气体的动力学直径大于沸石的孔径，因而在一般情况下气体分子不能穿透沸石或在沸石孔道中穿行, 只有在较高压力和较高温度下才能进入沸石笼中。当气体分子被吸附后通过冷却和减压被被包覆在沸石孔中，如果要将其释放，则需要通过再次加热，而这一过程与当前氢能源汽车的动力学性能不谋而合。

为了实现氢能的广泛应用，研发高效、低成本、低能耗的储氢技术是当前领域技术革新的关键。目前，各种储氢材料各有千秋，若兼顾安全、成本、容量考虑，沸石依托于自身优势与特性，为未来储氢材料发展提供了广阔前景，国内外诸多研究学者、科研机构纷纷通过不断的试验论证来证明其作为新一代主流储氢材料的可靠性。并且，受沸石结构具有储氢特性的启发 , 一系列以沸石为原材料的微孔储氢材料在不断地被合成出来，目前也已广泛应用于多个领域中。由此可见，发掘储氢性能优异的沸石是储氢技术领域的未来主要研究方向与发展趋势，并且其在整个氢能的开发与利用领域的作用也是不可小觑的！

素材整理自：知网文献

中国科学院官网、国际新能源网等

图片来自文献、网络